Gravure des contacts

2.3.1 Photolithographie

La photolithographie (UVL) est un procédé qui permet de transférer un masque de résine sur un échantillon. Le masque sert ensuite de couche protectrice pour une gravure ou un dépôt. Quand le masque est nettoyé, seules les parties de l’échantillon exposées au procédé sont affectées. Ainsi, le motif dessiné dans le masque est transféré dans le substrat. Ces étapes sont expliqués à la figure 2.5.

La résolution latérale de ce procédé dépend beaucoup de la qualité de l’équipement utilisé et de l’étape de gravure ou de dépôt à effectuer. Sur les équipements disponibles en salle blanche, celle-ci est d’au mieux 1 µm. L’alignement sur des étapes précédentes peut être précis à 2 µm. La longueur d’onde utilisée est de 220−440 nm. Sur des équipements industriels, cette résolution peut être aussi bonne que 50 nm (ou 25 nm avec certaines

substrat

Figure 2.5. Étapes d’un procédé de photolithographie/électrolithographie. (1) Sub-strat à lithographier. (2) Étalement et recuit de la résine. (3) Exposition sélective de la résine à l’aide d’un photomasque et de lumière ultraviolette (UVL), ou d’un faisceau d’électrons (EBL). (4) Développement de la résine dans une solution (solvant ou base).

La solution de développement peut dissoudre la résine exposée (résine positive) ou non-exposée (résine négative), selon le cas. (5) Gravure (5-1) ou dépôt de métal pour soulèvement (5-2). (6) Nettoyage. Le motif du masque est transféré dans le substrat.

astuces). Ainsi, les étapes réalisées par électrolithographie peuvent ou pourront bientôt être faites par photolithographie sur des chaînes de production.

L’avantage de la photolithographie est le parallélisme. Des surfaces immenses peuvent être structurées en quelques secondes, ce qui explique pourquoi le coût des puces en élec-tronique est si faible. À titre d’exemple, le photomasque utilisé dans ce procédé requière quatre jours de temps d’écriture sur le photoplotter (machine à fabriquer des photo-masques avec une exposition séquentielle).

2.3.2 Détails du procédé

Après l’oxydation thermique, un masque complexe est transféré par photolithographie et gravure plasma pour définir les matrices, cellules et contacts des dispositifs. Cette étape n’est pas illustrée à la figure2.2. La profondeur de cette gravure est de 60 nm et crée des tranchées larges de 2 µm qui serviront à connecter les nanostructures avec les plots de microsoudure. À l’étape suivante, les tranchées plus étroites définies en électrolithographie seront gravées avec 20 nm de profondeur. À certains endroits, la superposition des deux gravures crée des tranchées de 80 nm de profondeur.

2.3.3 Conception du photomasque

Les étapes (1) à (3) de la figure 2.2 sont appliquées sur des gaufres (tranches) de 3 po. Le plan du photomasque utilisé est illustré à la figure 2.6. Le nom du masque est Nicolas Killed the Mask version 3 (NKMv3)et son numéro dans leSystème de Suivi des Échantillons (SSE) est G641. Chaque gaufre contient neuf cellules identiques de 1 cm de côté appelées matrices (dies). Chaque matrice contient 49 cellules repérées par des coordonnées alphanumériques. Ces cellules contiennent des structures test pour contrôler le procédé à différentes étapes (lithographie, gravure, polissage), des structures de mesures de résistivité à deux et huit contacts, des cellules d’alignement, des marques d’alignement et des dispositifs. Les cellules utilisées pour fabriquer les Si-SETs sont C3, C4, D3 et D4.

La différence entre les cellules C3-4 et D3-4 est la forme des figurants (dummies) qui entourent les fils de contact (voir le paragraphe suivant). Chaque cellule Si-SET contient un nanofil et troistransistors mono-électroniques (SETs), pour un total de quatre nanofils et douze SETs.

Une caractéristique qui rend le masque complexe est la présence de structures électri-quement flottantes appelées figurants partout sur la matrice. La présence des figurants est

gaufre

matrice

a) b) c)

1 cm

cellule

d) e) f)

5.6 mm 700 µm

20 µm 6 µm 600 nm

EBL 1

EBL 2

Figure 2.6. Disposition d’une gaufre. a) Gaufre de 3 po contenant 9 matrices. b) Matrice avec ses cellules identifiées par des coordonnées alphanumériques. c) Cellule de type Si-SET utilisée pour les dispositifs. Les cellules C3, C4, D3 et D4 sont presque identiques. Les structures en gris sont des figurants pour le CMP. d) à f) Centre de la cellule. Les motifs en turquoise sont gravés en électrolithographie. Les dispositifs sont identifiés par leur numéro duSSE, suivi d’un trait d’union puis du numéro de cellule et de la position du dispositif dans la cellule (p. ex. F802D-C3G). La dernière lettre signifie gauche (G), droite (D), haut (H) ou bas (B).

Figure 2.7. Image optique d’une cellule Si-SET après l’étape (2) (figure 2.2). Les zones gravées sont en jaune et la surface d’oxyde masquée est en bleu. La gravure après l’EBLapparaît en brun, et la double gravure en jaune clair. a) Grossissement 10×. b) Grossissement 50×. Les structures EBL sont visible mais floues.

nécessaire pour le bon fonctionnement du CMP. Tel qu’expliqué dans la section 2.10, la densité de structure doit être relativement uniforme sur tout l’échantillon. C’est pourquoi chaque plot de contact est en forme de grillage et chaque fil de contact pour la source, le drain et la grille des dispositifs est dédoublé. Aucun espace ne doit être laissé sans figurants et la forme des contacts doit être ajustée de manière à ne laisser aucun espace sans structures.

À la figure2.6, on voit que lesSETssont près du centre de la cellule (turquoise). Ils sont eux aussi accompagnés de figurants, même si leur effet est plus faible dû à la profondeur de gravure différente. Le recouvrement entre l’électrolithographie et la photolithographie est juste assez grand pour tolérer des erreurs d’alignement et l’arrondissement des formes dû à la diffraction de la lumière lors de l’exposition.

2.3.4 Résultats

La figure 2.7 montre des images au microscope optique d’une cellule Si-SET après la gravure des contacts en UVL et des nanostructures en EBL (voir la section suivante).

Pour produire un résultat fidèle au masque et avec des coins carrés, le contact entre le masque et l’échantillon lors de l’exposition de la résine doit être parfait.